Astronomie

Wahrscheinlichkeit, lebenserhaltende Exoplaneten zu finden

Wahrscheinlichkeit, lebenserhaltende Exoplaneten zu finden

Wir haben inzwischen über tausend Exoplaneten gefunden, aber wie viele von ihnen könnten das Leben unterstützen? Wie viel Prozent der neu entdeckten Planeten sind potenziell lebenswichtig? Oder haben wir noch keine Exoplaneten gefunden, die diese Kriterien erfüllen?


Die Frage kann umformuliert werden in: Wie viele Exoplaneten wurden gefunden, die Leben beherbergen könnten? Anfang Mai 2015 scheint die Zahl etwa 30 zu betragen, siehe Habitable Exoplanet Catalogue auf der Website des Planetary Habitability Laboratory.

Sie sollten auch beachten, dass Methoden zur Erkennung von Exoplaneten diese Stichprobe zugunsten von Supererden verzerren.


Eine neue Gleichung enthüllt unsere genauen Chancen, außerirdisches Leben zu finden

Es ist über ein halbes Jahrhundert her, dass Frank Drake eine Gleichung entwickelt hat, um die Wahrscheinlichkeit abzuschätzen, intelligentes Leben in unserer Galaxie zu finden. Seitdem haben wir viel gelernt, was eine Astrophysikerin vom MIT dazu veranlasst hat, ihre eigene Sicht auf die Gleichung zu finden. So funktioniert die neue Formel – und wie sie bei der Suche nach außerirdischem Leben helfen könnte.

Die neue Formel wurde von Sara Seager, Professorin für Planetenwissenschaften und Physik am Massachusetts Institute of Technology, entwickelt. Ich kontaktierte sie, um mehr über die neue Gleichung zu erfahren und warum die Zeit für ein Umdenken reif war.

Bewertung der Wahrscheinlichkeit intelligenten Lebens

Bereits 1961 schlug Frank Drake eine Wahrscheinlichkeitsformel vor, um die Zahl der aktiven, funkfähigen außerirdischen Zivilisationen in der Milchstraße abzuschätzen. Es geht so:

  • Nein ist die Anzahl der Zivilisationen in unserer Galaxie, mit denen wir hoffen, kommunizieren zu können
  • R* ist die durchschnittliche Sternentstehungsrate in unserer Galaxie
  • fp ist der Anteil der Sterne, die Planeten haben
  • ne ist die durchschnittliche Anzahl von Planeten, die potenziell Leben pro Stern mit Planeten beherbergen können
  • fl ist der Bruchteil des oben Genannten, der irgendwann tatsächlich Leben entwickelt
  • fi ist der Bruchteil des oben Genannten, der tatsächlich intelligentes Leben entwickelt
  • fc ist die Fraktion der Zivilisationen, die eine Technologie entwickeln, die nachweisbare Anzeichen ihrer Existenz in den Weltraum freisetzt
  • L ist die Zeitdauer, für die solche Zivilisationen nachweisbare Signale in den Weltraum abgeben

Die Menschen haben in den letzten 50 Jahren eine Vielzahl von Werten eingeführt – alle rein spekulativ. Werte für Nein reichten von einem (d. h. hier siehst du dich an, Kind) bis zu den Millionen.

„Die ursprüngliche Drake-Gleichung gab uns nur das Format, mit dem wir die verschiedenen Zutaten sehen können“, sagte Seager gegenüber io9. „Niemand hatte je zuvor unsere Gedanken quantitativ organisiert. Das ist die revolutionäre Natur der Gleichung.“

Aber es kann uns nie eine quantitative Antwort geben, sagt sie, und wir sollten nicht erwarten, dass die Gleichung eine echte Gleichung ist, in dem Sinne, dass wir für jeden Begriff genaue Definitionen haben können.

„Es ist eine wunderbare, erstaunliche und innovative Art für uns, über intelligentes Leben nachzudenken – oder die Existenz von intelligentem Leben“, sagt sie, „aber es gibt einfach so viele Unbekannte, die nicht quantifiziert werden können.“

Aber die Dinge haben sich seit 1951 geändert. Dank des Kepler-Weltraumteleskops wissen wir jetzt, dass es eine absolute Fülle von Exoplaneten gibt. Darüber hinaus gibt es sie in allen möglichen Formen und Größen, sie umkreisen eine Vielzahl von Sternen und leben in Sonnensystemen, die unserem eigenen kaum ähneln. Unsere Wahrnehmung der Galaxie verändert sich mit jeder neuen Entdeckung dramatisch – ebenso wie unser Gefühl für ihr Potenzial, Leben zu beherbergen.

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Angesichts all dieser neuen Informationen hielt Seager die Zeit für gekommen, die Drake-Gleichung zu überdenken.

Die Seager-Gleichung

Die neue Gleichung sieht so aus:

  • N ist die Anzahl der Planeten mit nachweisbaren Biosignaturgasen
  • Nein* ist die Anzahl der Sterne innerhalb der Stichprobe
  • FQ ist der Anteil der stillen Sterne
  • FHZ ist der Anteil mit Gesteinsplaneten in der bewohnbaren Zone
  • FÖ ist der Anteil der beobachtbaren Systeme
  • FL ist der Bruchteil mit Leben
  • FS ist die Fraktion mit nachweisbaren spektroskopischen Signaturen

Nun ist es wichtig zu beachten, dass diese Gleichung keine Aktualisierung der Drake-Gleichung ist an sich – eher wie eine parallele Gleichung die mit der Originalversion zusammenarbeiten kann. Anstatt eine Formel zu entwickeln, um die Vorherrschaft des intelligenten Lebens vorherzusagen, interessiert sich Seager für Vorhersage unserer Chancen, innerhalb der nächsten zehn Jahre jede Art von Leben zu entdecken.

Und das hat einen rein praktischen Grund: Es wurzelt in der realen Welt dessen, was wir bereits kennen – oder bald erfahren werden.

„Wir werfen die Drake-Gleichung nicht weg, das ist wirklich ein anderes Thema“, erklärt sie. „Seit Drake die Gleichung aufgestellt hat, haben wir Tausende von Exoplaneten entdeckt. Wir als Gemeinschaft haben unsere Ansichten darüber, was da draußen sein könnte, revolutioniert. Und jetzt haben wir eine echte Frage in der Hand, die nichts mit intelligentem Leben zu tun hat: Können wir in naher Zukunft überhaupt irgendwelche Lebenszeichen erkennen?“

Seager ist es unangenehm, die neue Gleichung als Update zu bezeichnen, und schlägt stattdessen vor, dass wir sie die „parallele Drake-Gleichung“ oder die „überarbeitete Drake-Gleichung“ nennen. Ich persönlich denke, wir sollten es so nennen, wie es ist, „Die Seager-Gleichung“, da sich sein Zweck von dem unterscheidet, was Drake erreichen wollte. Anstatt zu versuchen, unsere Chancen abzuschätzen, funkfähige Zivilisationen zu finden, die neue Gleichung bewertet unsere Chancen, Lebenszeichen auf Exoplaneten durch Anzeichen von Biosignaturgasen zu entdecken.

Fernerkundung

In der Tat, Seagers Nein repräsentiert die Anzahl der Planeten mit nachweisbarer Biosignaturgase.

Detektierbar ist das Stichwort.

„Wir sind tatsächlich auf einem anderen Weg, wo wir versuchen, Lebenszeichen auf einem anderen Planeten zu finden“, sagt sie, „und die einzige Möglichkeit, die wir derzeit wissen, ist die Fernerkundung.“

Mit anderen Worten, spektroskopische Bildgebung – der Prozess, das Licht von einem Planeten oder einem Stern aufzuspalten und zu versuchen, die vorhandenen Gase anhand dessen zu identifizieren, was sie dem Licht entfernt oder hinzugefügt haben.

„Genau wie auf der Erde, wo wir Satelliten haben, die nach unten schauen, um die Gaskonzentrationen zu messen, können wir mit Weltraumteleskopen die Atmosphären weit entfernter Planeten betrachten“, erklärt sie. „Wir werden nach Gasen suchen, die im Wesentlichen nicht dazugehören – Gase, die vom Leben produziert werden können.“

Seager nennt als Beispiel Sauerstoff auf der Erde.

„Sauerstoff füllt unsere Atmosphäre zu 20 Vol.-%. Aber ohne Leben hätten wir überhaupt keinen Sauerstoff – wir hätten etwa 10 Milliarden Mal weniger Sauerstoff“, sagt sie. „Also erzeugen Pflanzen und photosynthetische Bakterien Sauerstoff in unserer Atmosphäre, und wenn Außerirdische uns aus der Ferne ansehen und optische Wellenlängenteleskope verwenden würden – anstatt Radioteleskope – würden sie all diesen überschüssigen Sauerstoff sehen und würden es hoffentlich wissen dass es nicht hierher gehört – dass es dem Leben zugeschrieben werden sollte.“

Ruhige und aktive Sterne

Ein weiteres einzigartiges Element der Seager-Gleichung ist die Hinzufügung sogenannter ruhige Sterne.

Sterne unterscheiden sich in ihrer Aktivität. Unsere Sonne zum Beispiel befindet sich derzeit in einer solaren Maximalphase, gibt also mehr Sonneneruptionen ab als üblich. Aber einige aktive Stars können sehr aktiv sein, und das auf eine Weise, die nicht gut ist.

„Aktive Sterne sind viel aktiver als ruhige Sterne, und es gibt eine Art Besorgnis, dass bestimmte aktive Sterne lebensgefährlich sein könnten“, sagte Seager gegenüber io9.

Ein weiteres Problem ist, dass aktive Sterne in ihrer Helligkeit variieren, was es oft schwierig macht, Exoplaneten zu finden. Flare Sterne stellen ein weiteres Problem dar.

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Sehr aktive Sterne haben auch einen hohen ultravioletten Strahlungsfluss – und das ist ein Problem für Biosignaturgase. UV-Strahlung löst eine Kette chemischer Reaktionen aus, die oft zur Zerstörung vieler Gase führt. Daher ist es für Biosignaturgase schwierig, sich auf diesen Planeten anzusammeln.

Daher der Fokus auf ruhige Sterne.

Nach Seagers eigenen Berechnungen ist der Wert von Nein gleich zwei – was nicht so pessimistisch ist, wie es klingt.

Denken Sie daran, dass ihre Gleichung ausschließlich versucht, die Wahrscheinlichkeit unserer Fähigkeit zu bestimmen, Planeten mit Biosignaturgasen mithilfe der spektroskopischen Methode zu entdecken. Das bedeutet, dass wir in relativ naher Zukunft in der Lage sein sollten, mindestens ein Planetenpaar mit Biosphärengasen zu entdecken – ihre Schätzung ist also tatsächlich verdammt aufregend.

Tatsächlich wird Seagers Gleichung nach dem Start des James Webb-Weltraumteleskops im Jahr 2018 immer relevanter und nützlicher. Die Tess-Mission des MIT (Translating ExtraSolar Planet Survey Mission) wird 500.000 Sterne untersuchen, die über den Himmel verteilt sind, um nach Transitplaneten zu suchen, die felsig sind.

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„Sobald wir einen Pool dieser Planeten haben, hoffen wir, sie verfolgen zu können, indem wir ihre Atmosphären mit dem James-Webb-Teleskop untersuchen“, sagt Seager. „Wir haben diesen zweigleisigen Ansatz gewählt. Die Gleichung ist also in dem Sinne real, dass es darum geht, was wir in den nächsten zehn Jahren erreichen können.“

In Bezug auf die Suche nach außerirdischem Leben sagt Seager, ihr Team arbeite wirklich daran.


Dieser Planet ist ein umstrittener Fund. Es wurde 2010 entdeckt, aber es gab Schwierigkeiten, es zu bestätigen. Dennoch nennt die Universität von Puerto Rico in Arecibo Gliese 581 den Top-Kandidaten für außerirdisches Leben. Wenn bestätigt, ist diese felsige Welt etwa 20 Lichtjahre von der Sonne der Erde entfernt und zwei- bis dreimal so massiv wie die Erde. Er umkreist seinen Mutterstern Gliese 581 etwa alle 30 Tage im Sternbild Waage.

Eine weitere "Super-Erde", Gliese 667Cc, befindet sich ebenfalls in der Nähe der Erde: etwa 22 Lichtjahre entfernt im Sternbild Skorpion. Der Planet ist mindestens 4,5-mal größer als die Erde und braucht 28 Tage, um seinen Mutterstern zu umkreisen. GJ 667C &ndash der Mutterstern &ndash ist eigentlich Teil eines Dreifachsternsystems. Der Stern ist ein Zwergstern der M-Klasse, der etwa ein Drittel der Masse der Erdsonne ausmacht.


Wie ein altes Gesetz der Suche nach bewohnbaren Exoplaneten neues Leben einhauchen könnte

Forscher der Australian National University und des Niels-Bohr-Instituts in Kopenhagen haben berechnet, dass Milliarden von Sternen in der Milchstraße zwischen einem und drei Planeten in der bewohnbaren Zone haben werden, die für flüssiges Wasser förderlich ist Uranus.

Das Titius-Bode-Gesetz, das von J. D. Titius vorgeschlagen und 1772 von Johann Elert Bode mathematisch beschrieben wurde, wurde von Forschern mit dem Ziel, die Reichweite der mit dem Kepler-Satelliten gefundenen Planeten zu erweitern, zu neuem Leben erweckt. Bis heute haben Astronomen rund 1.900 Exoplaneten in unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, gefunden, und weitere 3.000 potenzielle Planetenkandidaten warten auf weitere Untersuchungen. Ein Großteil der bisher entdeckten Planeten sind jedoch heiße Welten in der Nähe ihrer Sterne. Alternative Wege zu finden, um nach Planeten in Entfernungen von ihren Sternen zu suchen, die für potenzielles Leben besser geeignet sind, ist Motivation genug, um ein Gesetz wiederzubeleben, das einst als mathematische Kuriosität beschrieben wurde.

„Mithilfe des Titius-Bode-Gesetzes haben wir versucht, vorherzusagen, wo in 151 Planetensystemen weitere Planeten sein könnten“, erklärt Steffen Kjær Jacobsen, Doktorand in der Forschungsgruppe Astrophysik und Planetologie am Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen.

Das Titius-Bode-Gesetz, das auch verwendet wurde, um die Position des Asteroidengürtels und des größten Objekts darin, Ceres, korrekt vorherzusagen, ist eine einfache mathematische Beziehung, die die Entfernungen von Planeten von der Sonne in astronomischen Einheiten (AE) beschreibt. Eine astronomische Einheit ist die mittlere Entfernung von der Erde zur Sonne – etwa 149,6 Millionen Kilometer. Ausgehend von einer einfachen Zahlenfolge (0, 3, 6, 12, 24 usw.) wird zu jeder Zahl 4 addiert und dann das Ergebnis durch 10 geteilt. Dies ergibt eine Reihe von Werten, die grob mit den tatsächlichen korrelieren Entfernungen der Planeten von der Sonne. Für den äußersten Planeten Neptun beginnen die Zahlen jedoch abzuweichen, und aus diesem Grund wurde das Gesetz weitgehend als mathematischer Zufall und nicht als tatsächliches physikalisches Gesetz angesehen.

Doch von den 151 von Forschern untersuchten Mehrplanetensystemen, von denen jedes zwischen drei und sechs bereits entdeckte Planeten hat, zeigte sich, dass eine beträchtliche Anzahl dieser Planeten Bahnen hatte, die gut mit dem Titius-Bode-Gesetz übereinstimmten. Könnte dieser Ansatz, der vor über 200 Jahren verwendet wurde, um Objekte in unserem Sonnensystem zu finden, wirklich eine praktikable Methode sein, um Exoplaneten erdähnliche Welten zu jagen? Jacobsen glaubt das.

„Die Ergebnisse unserer Forschung legen nahe, dass 124 Planetensysteme zu den Daten ‚gut‘ passten, was bedeutet, dass diese Systeme genauso gut oder besser zu der verallgemeinerten Titius-Bode-Beziehung passen, die wir verwendet haben, als die, die verwendet wurde, um die Umlaufbahnen von Planeten in unserem eigenen Sonnensystem“, sagt Jacobsen. „In diesem Sinne scheint es also bei Planetensystemen eine Tendenz zu geben, einer verallgemeinerten Titius-Bode-Beziehung zu folgen.“

Ein Diagramm, das eine Auswahl von Multi-Planet-Systemstudien in der Forschung zeigt. Die blauen Punkte sind bisher bekannte Planeten, während die roten Bänder die vorhergesagten Positionen von derzeit unentdeckten Planeten anzeigen.

Die Suche nach Planeten in einem System, in dem bereits zwei bis drei Planeten beobachtet wurden, mag kontraintuitiv erscheinen, aber ihre Entdeckung ist tatsächlich von Vorteil, wenn man versucht, andere benachbarte Umlaufbahnen mit dem Titius-Bode-Gesetz vorherzusagen. Wenn die Positionen eines oder zweier größerer Planeten bereits bekannt sind und Sie wissen, wie lange diese Planeten brauchen, um ihren Wirtsstern zu umkreisen, können Sie ihre Position im Planetensystem berechnen. Wenn das Titius-Bode-Gesetz korrekt ist, können Sie damit die Umlaufbahn von ‘fehlenden’ Planeten vorhersagen, die ungesehen lauern.

„Wenn ich sehe, wie viele Systeme in unsere verallgemeinerte Titius-Bode-Beziehung passen, würde ich hoffen, dass die Formel eine gewisse Vorhersagekraft hat“, sagt Jacobsen. „Wir haben eine Prioritätenliste mit 77 Planeten in 40 Planetensystemen erstellt, auf die wir uns konzentrieren können, weil sie mit hoher Wahrscheinlichkeit einen Transit machen.“

Es ist nicht das erste Mal, dass das Titius-Bode-Gesetz verwendet wird, um nach Exoplaneten zu suchen, jedoch lieferten frühere Forschungen keine so günstigen Ergebnisse, da nur eine sehr kleine Anzahl von Exoplaneten anhand ihrer Vorhersagen entdeckt wurde. Beunruhigte dieses Ergebnis Jacobsen überhaupt?

„[Frühere] Forscher verwendeten bei ihren Berechnungen andere Kriterien, die nicht so umfangreich waren wie unsere“, sagt er. „Daher erwarten wir in unserer Prioritätenliste eine höhere Erkennungsrate anstelle der (ungefähr) 5 Prozent, die bei früheren Suchen gefunden wurden.“

Die Quoten sehen dann ansprechend aus und Jacobsen ist hinsichtlich des Ergebnisses realistisch. „Wir erwarten nicht, dass alle Systeme diese Beziehung einhalten, da in einem Planetensystem viele Dinge passieren können, die die Positionen seiner Planeten nach ihrer Entstehung beeinflussen, aber wir hoffen, etwa 15 Prozent der Planeten auf der Liste zu finden“, sagt Jacobsen.

Nachdem die Berechnungen durchgeführt wurden, besteht der nächste Schritt bei der Suche nach unserem Exoplaneten-Äquivalent darin, andere Forscher an Bord zu bringen, um nach diesen Planeten zu suchen, auf denen flüssiges Wasser und hoffentlich Leben existieren könnten.


Die Ozeanzirkulation könnte der Schlüssel sein, um Leben auf Exoplaneten zu finden

Eine Visualisierung der Meeresoberflächenströmungen des Golfstroms. Bildnachweis: NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio

Forscher auf der ganzen Welt beschäftigen sich seit langem mit der Frage: Gibt es Leben auf anderen Planeten und wenn ja, wie finden wir es? Angesichts der Tatsache, dass Tausende von Planeten außerhalb unseres Sonnensystems erforscht werden müssen, benötigen Wissenschaftler eine Möglichkeit, vorherzusagen, welche Exoplaneten am wahrscheinlichsten Leben beherbergen. Um die Sache noch komplizierter zu machen, müssen ihre Vorhersagen auf Beobachtungen basieren, die aus Lichtjahren Entfernung gemacht werden können – wie die Größe, Masse und Zusammensetzung der Atmosphäre des Exoplaneten.

In einer aktuellen Veröffentlichung im Astrophysikalisches Journal, stellte die Planetenforscherin Stephanie Olson der University of Chicago ein neues Modell vor, das vorhersagt, wie sich die Zirkulationsmuster der Ozeane auf die Begünstigung des Lebens auf diesem Planeten auswirken können. Diese Faktoren können Wissenschaftler bei der Suche nach Leben auf anderen Welten leiten, und die Ergebnisse der Forscher legen nahe, dass die Suche nach einem Planeten genau wie der Erde uns möglicherweise nicht zu den wahrscheinlichsten Orten führt, an denen außerirdisches Leben existiert.

"Die kleine Menge früherer Arbeiten zu Exoplaneten-Ozeanen konzentrierte sich hauptsächlich auf ihre Klimaauswirkungen", sagte Dorian Abbot, Co-Autor und außerordentlicher Professor am UChicago. "Diese Studie beginnt mit der Bewertung der Auswirkungen der Ozeanzirkulation auf den Nährstoffkreislauf, die biologische Produktivität und möglicherweise die Nachweisbarkeit von Leben auf Exoplaneten."

Zirkulationsmuster können einen dramatischen Einfluss auf die Lebensfähigkeit des Lebens im Ozean haben. Der Großteil des Lebens im Ozean auf dem Planeten Erde befindet sich in der obersten Schicht, die Sonnenlicht empfängt, um photosynthetische Organismen zu unterstützen und Gase mit der Atmosphäre auszutauschen. Diese Mischschicht verliert ständig Nährstoffe an die tieferen, ruhigeren Regionen des Ozeans, da tote Organismen durch die Schwerkraft nach unten gezogen werden.

Die Rückführung dieser Nährstoffe in die lebenserhaltende Mischschicht hängt von einem sogenannten Auftrieb ab. Auftrieb tritt an bestimmten Orten auf, an denen der Wind dazu führt, dass Oberflächengewässer divergieren und tiefe Gewässer aufsteigen, um sie zu ersetzen, und die Nährstoffe mitbringen, die das Leben antreiben.

"Wenn man sich das Leben in unseren Ozeanen ansieht, konzentriert es sich überwiegend auf Regionen, in denen es Auftrieb gibt", sagte Olson, ein T.C. Chamberlin Postdoctoral Fellow am Department of Geophysical Sciences.

Olson verwendete ein Modell, um zu untersuchen, wie kleine Veränderungen in beobachtbaren Merkmalen wie der Größe oder Rotationsrate eines Planeten das Ausmaß des Auftriebs im Ozean eines Exoplaneten dramatisch beeinflussen und somit das Leben an der Meeresoberfläche begünstigen oder benachteiligen können.

„Wir fanden heraus, dass Planeten, die langsamer als die Erde rotieren, einen höheren Oberflächendruck als die Erde haben und salzigere Ozeane als die Erde haben, alle einen stärkeren Auftrieb erfahren können. Dies könnte sich für aktiveres photosynthetisches Leben eignen und sich letztendlich als nachweisbares photosynthetisches Leben manifestieren.“ sagte Olson. "Dies sind die Arten von Planeten, die wir für Studien zur Erkennung von Leben priorisieren sollten, und dies sind die Arten von Planeten, bei denen die Nichterkennung sinnvoller sein könnte, wenn wir kein Leben finden."

Diese Ergebnisse stehen im Gegensatz zur allgemeinen Meinung zur Priorisierung von Exoplaneten: Unsere beste Chance, Leben zu finden, besteht darin, einen Exoplaneten mit so vielen erdähnlichen Merkmalen wie möglich zu lokalisieren.

"Diese Studie motiviert, unsere Suche über die Erdanaloga hinaus auszuweiten und zu überlegen, ob es Planeten geben könnte, die bessere Wirte für Leben sind als die Erde selbst", sagte Olson.

Olson fand insbesondere heraus, dass einige Merkmale von Exoplaneten, die sich von der Erde unterscheiden, zu mehr Gassignaturen biologischer Aktivität in der Atmosphäre führen können – wie etwa Sauerstoff und Methan –, wodurch das Leben auf diesen Planeten aus der Ferne leichter zu erkennen ist.

Neben der Suche nach Leben auf anderen Planeten kann Olsons Modell auch Informationen über die Ozeanzirkulationsmuster auf der Erde liefern und Einblicke in die Vergangenheit und Zukunft des Lebens auf unserem Planeten geben.

Im Laufe der Erdgeschichte haben sich Rotationsgeschwindigkeit, Oberflächendruck und Helligkeit der Sonne verändert. Olsons Modell legt nahe, dass all diese Veränderungen im Laufe der Zeit den Auftrieb verstärkt haben und das Leben in unseren Ozeanen zum Gedeihen gebracht haben könnten.

Darüber hinaus stellte Olson überrascht fest, dass eine Zunahme des Salzgehalts – die Menge an Salz, die in unserem Ozean gelöst ist – das Klima der Erde dramatisch beeinflussen kann. Ihr Modell fand heraus, dass eine Verdoppelung der Salzmenge in unserem Ozean das gesamte Meereis zum Schmelzen bringen und zu einer Erwärmung des Planeten um 6 Grad Celsius führen würde.

"Wenn ein Unterschied des Salzgehalts um den Faktor zwei für das planetarische Klima so wichtig ist, müssen wir im Hinblick auf die Klimaentwicklung unseres eigenen Planeten wirklich über den Salzgehalt der Ozeane nachdenken", sagte Olson.

Olsons Modell sagt diese und andere überraschend ausgeprägte Veränderungen der Ozeanzirkulation und des Klimas voraus, indem es die Eigenschaften eines erdähnlichen Planeten subtil modifiziert, einen Parameter nach dem anderen. Es besteht das Potenzial für dramatischere Auswirkungen, wenn Parameter gleichzeitig geändert werden, um genauer widerzuspiegeln, wie sich die Eigenschaften eines Exoplaneten von der Erde unterscheiden können, was nahezu unbegrenzte Szenarien zur Erforschung eröffnet.

"Meere sind wirklich dynamische Lebensräume, und wir haben hier gerade erst an der Oberfläche gekratzt", sagte Olson. "Meine Vision ist, dass die Leute sich dafür begeistern und weiter daran arbeiten und noch exotischere Möglichkeiten erkunden."


Außerirdisches Leben auf den meisten Exoplaneten stirbt wahrscheinlich jung

Künstlerische Darstellung eines der Milliarden felsiger Exoplaneten in unserer Galaxie. Gab es einmal Leben auf seiner Oberfläche? Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech

Astronomen haben eine Vielzahl von Planeten um nahe Sterne herum gefunden. Und es scheint, dass erdgroße Planeten in bewohnbaren Zonen wahrscheinlich häufig vorkommen.

Mit Dutzenden oder sogar Hunderten von Milliarden potenziell bewohnbarer Planeten in unserer Galaxie stellt sich die Frage: Sind wir allein?

Tatsächlich ist die Suche nach außerirdischem Leben zum heiligen Gral für die nächste Generation von Teleskopen und Weltraummissionen zum Mars und darüber hinaus geworden. Aber könnte unsere Suche nach E.T. naiv optimistisch sein?

Viele Wissenschaftler und Kommentatoren setzen „mehr Planeten“ mit „mehr E.T.s“ gleich. Die Gewalt und Instabilität der frühen Bildung und Entwicklung von Gesteinsplaneten deutet jedoch darauf hin, dass die meisten Außerirdischen ausgestorbene fossile Mikroben sein werden.

So wie tote Dinosaurier nicht laufen, sprechen oder atmen, sind Mikroben, die seit Milliarden von Jahren versteinert sind, durch die Fernproben von exoplanetaren Atmosphären nicht leicht zu entdecken.

In der in der Zeitschrift veröffentlichten Forschung Astrobiologie, argumentieren wir, dass ein frühes Aussterben der kosmische Standard für das Leben im Universum sein könnte. Dies liegt daran, dass die frühesten bewohnbaren Bedingungen instabil sein können.

In unserem "Gaian Bottleneck"-Modell müssen Planeten bewohnt werden, um bewohnbar zu bleiben. Selbst wenn also Leben häufig auftaucht, kann sein Fortbestehen selten sein.

Konservative Schätzungen deuten darauf hin, dass es in unserer eigenen Galaxie mehr als eine Milliarde erdähnlicher Planeten gibt. Auf wie vielen von ihnen konnte das Leben seit Milliarden von Jahren bestehen? Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech

Mars, Venus und Erde waren sich in ihren ersten Milliarden Jahren ähnlicher als heute. Auch wenn nur auf einem der Planeten Leben entstand, fiel diese Ära mit schweren Bombardements von Asteroiden zusammen, die Leben zwischen den Planeten hätten verbreiten können.

Aber etwa 1,5 Milliarden Jahre nach ihrer Entstehung begann die Venus eine unkontrollierte Erwärmung und der Mars eine unkontrollierte Abkühlung. Wenn Mars und Venus einst Leben beherbergten, starb dieses Leben schnell aus.

Selbst wenn sich nasse, erdähnliche Gesteinsplaneten in der "Goldlöckchen-Zone" ihrer Wirtssterne befinden, scheint es, dass ein unkontrolliertes Einfrieren oder Erhitzen ihr Schicksal sein könnte.

Große Impaktoren und enorme Schwankungen in den Mengen an Wasser und Treibhausgasen können positive Rückkopplungszyklen induzieren, die Planeten von bewohnbaren Bedingungen abbringen.

Der Karbonat-Silikat-Verwitterungszyklus, der die wichtigste negative Rückkopplung zur Stabilisierung des heutigen Erdklimas liefert, war wahrscheinlich bis vor etwa 3 Milliarden Jahren außer Betrieb oder zumindest ineffizient.

Das Leben auf der Erde könnte jedoch die zufällige Fähigkeit gehabt haben, Stabilität zu schaffen, indem es die positiven Rückkopplungsschleifen unterdrückt und die negativen Rückkopplungsschleifen verstärkt.

Wir sollten der unvorhersehbaren Entwicklung mikrobieller Gemeinschaften, die unser Planet zu Beginn seiner Geschichte beherbergte, wahrscheinlich dafür danken, dass sie uns vor außer Kontrolle geratenen Bedingungen bewahrt haben, die die Erde für uns zu heiß oder zu kalt zum Leben machen würden.

Sobald sich das Leben auf der Erde verbreitete, begannen die frühesten Stoffwechselvorgänge, die Treibhausgaszusammensetzung der Atmosphäre zu modulieren. Nicht umsonst sind Methan, Kohlendioxid, Wasserstoff und Wasser potente Treibhausgase und auch die Reaktanten und Produkte von Stoffwechselreaktionen der frühesten mikrobiellen Matten und Biofilme.

Wie hat es die Erde geschafft, fast 4 Milliarden Jahre lang bewohnbar zu bleiben, während sich ein Geschwister in ein heißes Höllenhaus und das andere in eine gefrorene Eisbox verwandelte? Bildnachweis: JAXA/NASA/ESA

Die Entstehung der Fähigkeit des Lebens, zunächst nicht-biologische Rückkopplungsmechanismen zu regulieren (was wir "Gaian-Regulation" nennen) könnte der wichtigste Faktor sein, der für das Fortbestehen des Lebens auf der Erde verantwortlich ist.

Abiotische bewohnbare Zonen sind vorübergehend

Die Erde ist nicht der einzige Planet in unserer Galaxie mit flüssigem Wasser auf seiner Oberfläche und Energiequellen und Nährstoffen, die die Entstehung von Leben ermöglichen.

Obwohl das Universum voller Sterne und Planeten ist, die dem Leben förderlich sind, deutet das Fehlen jeglicher Beweise für außerirdisches Leben darauf hin, dass selbst wenn die Entstehung von Leben einfach ist, sein Fortbestehen schwierig sein kann.

Unsere Arbeit stellt konventionelle Ansichten in Frage, dass physikalisch basierte bewohnbare Zonen für viele Milliarden von Jahren stabile Lebensbedingungen bieten.

Obwohl die Heimarbeit der Modellierer von bewohnbaren Zonen verschiedene Knöpfe zur Kontrolle der atmosphärischen und geophysikalischen Eigenschaften drehen kann, um Planeten über kurze Zeiträume zu stabilisieren, haben sie die Rolle der Biologie bei der Erhaltung der Planeten über Milliarden von Jahren größtenteils ignoriert.

Dies liegt zum Teil daran, dass die Komplexität der Interaktionen zwischen mikrobiellen Gemeinschaften, die Ökosysteme stabil halten, nicht ausreichend verstanden wird.

Wir gehen davon aus, dass selbst wenn Leben auf einem Planeten entsteht, es sich selten schnell genug entwickelt, um die Treibhausgase zu regulieren und dadurch die Oberflächentemperaturen mit flüssigem Wasser und der Bewohnbarkeit kompatibel zu halten.

Wir postulieren eine bewohnbare Zone (gelb), die instabil ist und nur von

1 Milliarde Jahre nach der Entstehung des Planeten. Dann im nächsten

0,5 Milliarden Jahre driften die Oberflächentemperaturen ab oder entgehen der Bewohnbarkeit. Credit: Chopra & Lineweaver (2016), Autor zur Verfügung gestellt

Das Leben auf einem anfangs nassen felsigen Planeten in der bewohnbaren Zone zu erhalten, kann wie der Versuch sein, auf einem wilden Stier zu reiten. Die meisten Fahrer stürzen ab. Bewohnte Planeten können also im Universum selten sein, nicht weil aufstrebendes Leben selten ist, sondern weil bewohnbare Umgebungen während der ersten Milliarde Jahre schwer zu erhalten sind.

Unser Vorschlag, dass das Universum voller toter Außerirdischer ist, mag einige enttäuschen, aber das Universum ist nicht verpflichtet, Enttäuschungen zu verhindern.

Wir sollten keine technologischen oder weltraumfahrenden Zivilisationen erwarten, weil es keine Beweise dafür gibt, dass die biologische Evolution zu menschenähnlicher Intelligenz konvergiert. Und subjektive philosophische Vorstellungen vom Leben im Universum sollten unsere Schätzungen über die Wahrscheinlichkeit von Leben außerhalb der Erde nicht beeinflussen.

Oberflächlich betrachtet scheinen diese Ideen die Motivation für SETI und das kürzlich angekündigte Breakthrough Listen-Projekt zu untergraben.

Trotzdem unterstützen wir SETI, denn wenn wir neue Bereiche des Parameterraums erkunden, finden wir oft das Unerwartete.

In seinem Buch Pale Blue Dot erinnerte uns Carl Sagan daran, dass "in unserer Dunkelheit, in all dieser Weite, es keinen Hinweis darauf gibt, dass Hilfe von anderswo kommen wird, um uns vor uns selbst zu retten".


Ein neues Forschungspapier theoretisiert, dass es in der Milchstraße 36 außerirdische Zivilisationen geben könnte

In einer Sommernacht ohne jegliche Lichtverschmutzung zu den Sternen zu blicken, ergibt eine erstaunliche Anzahl von Sternen, die unsere winzige Ecke der Milchstraße bewohnen. Bei solchen Gelegenheiten wenden sich die Gedanken natürlich existenziellen Fragen zu, ob oder ob nicht einer dieser Lichtpunkte Planeten beherbergt, die nicht nur grundlegende biologische Prozesse, sondern tatsächlich außerirdische Zivilisationen aufrechterhalten können.

In einem optimistischen neuen Papier, das diese Woche im Online-Forum The Astronomical Journal veröffentlicht wurde, haben die Wissenschaftler Tom Westby und Christopher J. Conselice von der University of Nottingham theoretisiert, dass unsere benachbarten Sternensysteme tatsächlich 36 verschiedene außerirdische Rassen beherbergen könnten.

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Diese fernen Ziele, die als kommunizierende außerirdische intelligente Zivilisationen (CETI) bezeichnet werden, wurden anhand von Schlussfolgerungen wahrgenommen, die durch den Einsatz eines anderen Satzes von Parametern zur Messung potenzieller fortgeschrittener Gesellschaften abgeleitet wurden, die die aktuellsten astrophysikalischen Daten verwenden.

"Es sollte mindestens ein paar Dutzend aktiver Zivilisationen in unserer Galaxis geben, wenn man davon ausgeht, dass es 5 Milliarden Jahre dauert, bis sich auf anderen Planeten wie auf der Erde intelligentes Leben bildet", erklärt Conselice. "Die Idee ist die Evolution, aber im kosmischen Maßstab. Wir nennen diese Berechnung die Astrobiologische kopernikanische Grenze."

Laut der Studie beinhalten ihre Berechnungen eine Kombination aus galaktischen Sternentstehungsgeschichten, Metallizitätsverteilungen und der potenziellen Wahrscheinlichkeit, dass Kandidatensterne erdähnliche Planeten in ihren "genau richtigen" bewohnbaren Goldlöckchen-Zonen beherbergen, unter definierten Annahmen, die sie als Astrobiological Copernican . bezeichnen Schwache und starke Bedingungen.

An einem Ende des Spektrums, das sie als schwaches astrobiologisches kopernikanisches Szenario bezeichnen, untersuchten sie, wie sich das Leben in einer metallreichen Umgebung wie der Erde im Laufe von 5 Milliarden Jahren entwickelt hat. Dies postuliert, dass Planeten irgendwann nach 5 Milliarden Jahren intelligentes Leben bilden, aber nicht früher. Das andere Extrem ist das stark astrobiologische kopernikanische Szenario, in dem sich Leben vor 4,5 bis 5,5 Milliarden Jahren gebildet haben muss, wie es auf unserer Big Blue Marble der Fall war.

Unter der Annahme strengster Bedingungen für das Strong-Szenario glauben Westby und Conselice, dass es in unserer Milchstraße technisch gesehen mindestens 36 Zivilisationen geben muss, wenn man davon ausgeht, dass die durchschnittliche Lebensdauer einer kommunizierenden Zivilisation 100 Jahre beträgt, was der Zeitraum ist, den die Menschheit erfunden hat und nutzte die drahtlose Funkkommunikation.

Selbst bei gleichmäßiger Verteilung über die Galaxie würde dies daher den Schluss ziehen, dass der nächste CETI mindestens etwa 17.000 Lichtjahre entfernt ist und wahrscheinlich von einem massearmen M-Zwergstern geschützt wird. Unter diesen Bedingungen würde dies unsere Fähigkeit, es jetzt mit vorhandener Technologie zu erkennen, stark einschränken, was eine lebensfähige interstellare Kommunikation mit einer so bewohnbaren Welt fast unmöglich macht.

Derzeit gibt es insgesamt 4272 bestätigte Exoplaneten und 645, die um Sterne mit Sonnenmassen von 0,95 bis 1,05 entdeckt wurden. Während dieses optimistische Modell einen positiven Ausblick auf potenzielles außerirdisches Leben in unserem Wald widerspiegelt, spiegelt es möglicherweise nicht andere Variablen und Annahmen darüber wider, wie das Leben auf der Erde genau begann.

Variablen wie, ob unser großer Mond ein entscheidender Faktor bei der Stabilisierung unserer axialen Neigung über lange Zeiträume war oder nicht, und ob dies einen wichtigen Filter für die langfristige biologische Stabilität unseres Planeten darstellte, den nur eine verschwindend kleine Anzahl potenziell bewohnbarer Exoplaneten hat . Welche Rolle spielt auch die Existenz massiver Gasriesen, um Trümmerkollisionen auf Planeten der bewohnbaren Zone abzulenken oder zu absorbieren, die die biologische Evolution über Millionen von Jahren hemmen könnten?

"If we find that intelligent life is common, then this would reveal that our civilization could exist for much longer than a few hundred years alternatively, if we find that there are no active civilizations in our galaxy, it is a bad sign for our own long-term existence. By searching for extraterrestrial intelligent life — even if we find nothing — we are discovering our own future and fate," Conselice noted.

Still, it's somewhat comforting to speculate over the idea that we're not alone out here in the inky void, even if our distant neighbors don't know it yet.


Life's Probability Problem

What do we even mean when we talk about the probability of life elsewhere in the cosmos?

A potent idea in astrobiology is that by finding just one example of life with an independent origin from ours, we can estimate how often life occurs across the universe. In other words, we can constrain life's probability.

I've used this many a time to warm up an audience: Why do we do astrobiology? Here&rsquos why.

Right now, with one data point (life started here on Earth) the constraints we have on life in the universe are largely a function of the assumptions we put into the calculation (a point made quantitative in a seminal paper by Spiegel & Turner in 2012). But finding just einer example of an independent 'abiogenesis' event (even here on Earth, or in the solar system) would change things quite dramatically. That extra data point would immediately tell us that life happens a lot on a cosmic scale, and this is precisely why we want to explore our solar system and to gaze at distant exoplanets.

That gives an idea of the potential impact of a discovery. You get to reveal that life on Earth is not unique, and you reveal critical information on how often life is going to crop up across the entire cosmos.

All of which makes good sense. Except there are some tricky details.

For example, constraining the probability of life occurring in a planet-scale or moon-scale environment doesn't necessarily tell you much about how long it might take for life to emerge, or how probable it is for life to emerge on a micro-scale. Let&rsquos unpack those two items a bit.

How long does abiogenesis take?

We really have no idea. While it is increasingly clear that life started up pretty early in Earth&rsquos history, that&rsquos a relative and approximate statement. Early could mean a couple hundred million years after Earth&rsquos surface cooled from being part of a magma ocean. Early could also mean a week or two after conditions were suitable &ndash we just don&rsquot know.

It&rsquos possible that the very fact that no one has &lsquocreated&rsquo life in laboratory experiments on primordial chemical soups or ancient hydrothermal vent conditions is telling us that it takes a while. Although researchers have made great progress on revealing how complex molecules and complex chemical networks can emerge from simpler starter ingredients, the whole story is still a mystery. It&rsquos not hard to imagine that in the natural world it could take millions of years of restless, mindless chemical experimentation &ndash perhaps combined with proto-Darwinian selection processes &ndash before anything interesting happens.

What&rsquos the difference between life&rsquos probability on a planet versus on a micro-scale?

How a living system emerges (despite uncertainty over when we can call a system &lsquoalive&rsquo versus &lsquonot-alive&rsquo) is ultimately all down to mechanics. Atoms and molecules have to end up doing the right things. Maybe these actions take place temporally and spatially contemporaneously or perhaps some of them are spread out across time and place, or some mix of both. So, the question is whether the probability of life eventually occurring on a planet is just the sum of the tiny success probabilities of lots and lots of little chemical experiments (every pond, every hydrothermal pore, and so on) or whether it&rsquos a much more complicated global probability. In the latter case, there&rsquos something about the many interleaved cycles, feedbacks, chemistries, and gyrations of a planetary environment that are necessary to give life a chance at starting.

To put this another way: at the two extremes, does it actually take an entire planet to make life, or does it simply take an environment of the Rahmen of a planet to ensure eventual success?

Of course, it may well be that it's both of these things.

And that takes us right back to the beginning. It sure would be helpful to find that other example of life that started up independently.

The views expressed are those of the author(s) and are not necessarily those of Scientific American.

ABOUT THE AUTHOR(S)

Caleb A. Scharf is director of astrobiology at Columbia University. He is author and co-author of more than 100 scientific research articles in astronomy and astrophysics. His work has been featured in publications such as New Scientist, Wissenschaftlicher Amerikaner, Wissenschaftsnachrichten, Cosmos Magazine, Physik heute und National Geographic. For many years he wrote the Life, Unbounded blog for Wissenschaftlicher Amerikaner.


Scientists debate likelihood of finding life on other planets by 2042

In a debate hosted by the Department of Astronomy & Astrophysics, six scientists argued whether remote sensing will reveal evidence of extant life on an exoplanet—any planet outside of our solar system—by the end of 2042.

The scientists arguing for the discovery of extra-terrestrial life in the near future centered on the ideas that life is versatile, that living organisms create noticeable biosignatures by changing their environment’s chemical makeup, and that with the increasing number of earth-like planets found through ventures like the Kepler mission, it shouldn’t be too long before a planet with the right signs is found.

“The history of science is full of many surprises,” said Laura Kreidberg, a PhD student of astronomy and astrophysics. “We should be open-minded about what to expect.”

The opposition focused on branching lines of logic. In addition to the possibility of false positives on biosignatures and the unlikelihood of humanity devoting serious resources to finding life, a paradox by UChicago Nobel laureate Enrico Fermi argues that if there’s life among billions of planets, some should be advanced enough to have reached Earth already.

“We hope that we can find life in the universe,” said Edwin Kite, an assistant professor of geophysical sciences. “But we should vote based on facts, not hopes.”

The debate, held in fall 2015, was the penultimate event for AstroChicago 123, which honored the department’s founding with talks, a film and panels on the department’s past and ongoing research. It also celebrated the completion of the William Eckhardt Research Center.

In the discussion, three researchers defended each side. Audience members had the opportunity to vote before and after the debate.

Dorian Abbot, associate professor of geophysical sciences, framed the arguments for finding extra-terrestrial life in the near future, or the “yes” side. First, he described how microbial life was common and able to survive in extreme conditions on Earth. This meant that, with the raw materials essential for living matter being abundant in our universe, life could likely survive on planets within habitable zones.

Leslie Rogers, assistant professor of astronomy and astrophysics, explained how all life modifies its environment, and that biosignatures such as oxygen and ammonia would be positive evidence toward the existence of life on an exoplanet. It would only take one thousandth of the biomass in the Earth’s ocean to produce a noticeable amount of ammonia.

Kreidberg said that NASA currently has the technology to find these signatures, and had a list of planets that were promising candidates for life.

Kite, framing the arguments of the “no” side, explained that at the lab and on the planetary scale, life does not arise spontaneously—the exception being Earth, which proved that life was rare. He further explained that there is no combination of atmospheric signatures that cannot be explained through non-biological processes.

Daniel Fabrycky, assistant professor of astronomy and astrophysics, argued from the standpoint of Fermi’s paradox—that with the abundance of earth-like planets, including many much older than Earth, an alien civilization should have reached the stage of interstellar travel and made some contact with Earth. Following the theory further, Fabrycky argued that confirming existence of life on exoplanets would mean there’s a higher probability of intelligent alien civilizations. He also noted the fact that over billions of years no intelligent aliens have made it to the point of reaching Earth, meaning humanity has dismal prospects for space exploration and expansion. “By voting yes on your ballot, you are dooming humanity,” Fabrycky quipped.

The last argument against finding life by 2042, put forth by Jacob Bean, an assistant professor of astronomy and astrophysics, was that humanity had too many political hurdles to overcome. Should humanity devote serious funding to developing remote-sensing technology to find extant life over other projects, it might find evidence that life exists elsewhere in the universe. However, Bean expressed doubt that the astrophysics community could band together, let alone the nation, to agree to this mission and overcome the technological difficulty.

Before the debate began, 33 members of the audience voted that life on an exoplanet would not be found by 2042, and 38 voted it would. After the debate, 40 members of the audience voted life would not be found and 38 voted it would, which Angela Olinto, the Homer J. Livingston Professor in Astronomy & Astrophysics and the College, attributed to “the Chicago tradition of voting often.” The ballot and a summary of the debate were placed in a time capsule to be opened 2042.

For those interested in learning more about exoplanets, lectures and classes on the subject will be forthcoming during Winter and Spring quarters. Rogers will give a faculty research lecture on the “Diversity and Demographics of Distant Rocky Worlds” at noon Feb. 29 in ERC 576. In addition, Fabrycky and Bean will teach classes on exoplanets in Spring Quarter.


Move over exoplanets, exomoons may harbour life too

Shooting for the exomoon. Credit: CBC11, CC BY-SA

In the Star Wars universe, everyone's favourite furry aliens, the Ewoks, famously lived on the "forest moon of Endor". In scientific terms, the Ewok's home world would be referred to as an exomoon, which is simply a moon that orbits an exoplanet – any planet that orbits a star other than our sun.

Although more than 1,000 exoplanets have been discovered since the first one was found in 1995, only a handful of those are thought to be habitable, at least by life as we know it. New research shows that exomoons, too, could provide habitable environments. Although we are yet to find exomoons, we have good reasons to believe that there should be many, even more than exoplanets.

Perhaps the most habitable planet found to date is the recently announced Kepler-186f. This is one of five exoplanets discovered by NASA's Kepler satellite, all orbiting a small, faint, red dwarf star, 500 light years away in the constellation of Cygnus.

Kepler-186f is an Earth-sized planet that orbits its star in only 130 days and is about as distant from its star as Mercury is from the Sun. But, because the red dwarf is much dimmer than the Sun, Kepler-186f receives only about one-third of the energy that the Earth does. As a result, Kepler-186f lies at the outer edge of its star's "habitable zone". This is the hypothetical region of space surrounding a star in which liquid water may conceivably exist on the surface of any exoplanets.

In our own solar system, Venus lies too close to the Sun and is too hot. Mars lies too far from the Sun and is too cold. But Earth, of course, lies within the critical "Goldilocks zone", where the temperature is just right.

Simply residing in the habitable zone, though, is no guarantee that an exoplanet has water oceans. The climate of a planet is much more complicated than we can capture with a simple calculation based on the distance of a planet from a star. We know that Mars probably had running water on its surface in the past, but now it is a frozen desert. Earth, meanwhile, was probably in a completely frozen "snowball" state about 650m years ago.

Earth falls in the habitable Goldilocks zone of our solar system. Credit: Image editor, CC BY

Even leaving aside questions of climate, not all exoplanets have a surface on which liquid water could exist. Many of the exoplanets found in the past 20 years are massive, Jupiter-sized planets. This is not surprising, as bigger planets are easier to find (even if they are not the most numerous). But a Jupiter-sized exoplanet in the habitable zone of a star is unlikely to have liquid water, much less prove a suitable habitat for life as we know it.

Jupiter has an outer atmosphere of gaseous and liquid hydrogen overlaying a metallic hydrogen envelope that extends for thousands of kilometres. Any rocky surface is confined to a core buried under millions of atmospheres of pressure.

But if a Jupiter-like exoplanet orbits within a star's habitable zone, it begs the question: might that exoplanet host habitable moons, like the Ewok's home? Jupiter has Europa, which is suspected to have liquid water buried under an ice crust, and Saturn has Enceladus, which definitely has water hidden underneath its coat of hydrocarbon ices. So Earth-like exomoons are certainly not out of the question.

Finding the right temperature

Recent research by Duncan Forgan and Vergil Yotov at the University of Edinburgh highlights the various factors that may make an exomoon more or less habitable. They investigate how the climate of an exomoon will be affected by tidal stresses which provide a source of internal heating for the exomoon as it is stretched and deformed by the gravitational pull of its planet. They also investigated how light reflected from the exoplanet, and eclipses by the exoplanet, can also subtly alter the exomoon's climate.

The researchers lump theoretical exomoons into a number of classifications: "habitable", "hot", "snowball" or "transient". Those in the first class have more than 10% of their surface at a temperature between the freezing and boiling points of water, with only a small fluctuation around the average temperature value.

Those in the second class have average temperatures above 100°C at all times, whereas those in the third class are permanently frozen – in both cases less than 10% of the surface is habitable. Exomoons in the fourth, transient class are on average habitable, but the amount of habitable surface area varies widely with time. Overall, this research shows that exomoon climates are rather more complex than previous research has supposed.

As yet, no exomoons have been discovered, but there are various techniques proposed for finding them. One way is by studying the effects that an exomoon will have on the exoplanet it is orbiting – their gravitational connection means there will be a to-and-fro tugging between them. This will cause variations in the times at which the planet transits in front of its star and in the durations of these transits, which we are able to measure.

These time variations will only be a few seconds at most, so very accurate measurements of the transits must be made in order to reveal the exomoon's presence. If variations are detected then, in principle, both the mass and orbit of the exomoon may be calculated from the measurements.

It surely is only a matter of time before the first exomoon is discovered and the probability of finding one in the habitable zone of a star is reasonably high. We may not find any Ewoks, but habitable exomoons may indeed offer the best prospect for hosting alien life.

This story is published courtesy of The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).


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